浅谈广州地铁AFC设备中的读写器

吴志刚

0 前言

广州市地铁发展走在全国轨道交通行业的前列，AFC设备中读写器的发展也同步经历了历史的变迁，从最早的单片机开发到如今的大规模集成电路的应用，从单一的单程票的读写识别到如今每隔一段时间定期推出一款新票型的多元化服务需求，见证了地铁发展的历史缩影，同时也为地铁票务收益的稳健增长立下汗马功劳。

1 AFC读写器技术标准

AFC设备中的读写器是RFID技术在轨道交通行业的一个典型应用中的子模块。RFID技术是从上世纪80年代开始逐渐走向成熟的一项自动识别技术，这一新产业的发展，主要以国际标准化组织ISO、以美国为首的EPCglobal、日本UID三大标准化组织纷纷制定RFID相关标准，并在全球积极推广这些标准。下图为国际标准化组织ISO制定在RFID技术单元板块的相关分布情况如图1所示。

RFID标准涉及到RFID标签、空中接口、测试标准、读写器与到应用程序之间的数据协议，并且考虑的是所有应用领域的共性要求。而尤以ISO制订的RFID标准作为业界通用标准发展迅猛，从其内容来说，RFID应用标准是在RFID编码、空中接口协议、读写器协议等基础标准之上，针对不同使用对象，确定了使用条件、标签尺寸、标签粘贴位置、数据内容格式、使用频段等方面特定应用要求的具体规范，同时也包括数据的完整性、人工识别等其他一些要求。这一标准制订思想，既保证了RFID技术具有互通与互操作性又兼顾了应用领域的特点，能够很好地满足应用领域的具体要求。

图1 读写器模块ISO分布图

广州地铁AFC专业读写器产品是严格遵从ISO 15962标准来开展全流程的项目管理工作的，走在了全国轨道交通行业内的领先地位，同时也确保了技术接口的开放和相关项目管理工作的严谨。

2 地铁AFC读写器现状分析

目前，广州地铁读写器保有量按照当前已经开通的八条线路，平均每条线路2 000块读写器运维数目，保守估计能过15 000块。根据终端设备的不同要求满足票卡的进出站、售票、充值、更新、查验等应用操作要求。读写器在AFC系统的检票、自动/半自动售检票、验票机和初始化清分设备中都发挥着举足轻重的作用，是AFC系统与乘客联系的关键设备。其基本架构图如图2所示。

图2 模块分解图

地铁读写器设计初始即是以模块化划分如图2模块分解图，便于日后的升级改造以及新功能的开发，其主要由四个功能模块组成，分别为主控模块、RF-天线射频模块、认证SAM卡模块和外部接口模块，其每个模块都可以相互替换使用，能够简单高效的进行维修组装和升级等工作。所有接插件均考虑到地铁行业特点，全部采用工业级接口定制，接口安全可靠。

读写器主控模块由CPU及其外围电路组成。可参考CPU的工作电压和所提供的低功耗模式，并结合设计的需要选择集成所需外围芯片的CPU。主控模块是整个读写器的核心部件，整个AFC系统的密钥安全控制，车票处理都由它来控制完成。

RF模块使用专用的射频芯片配合相应的电路组成，射频信号完全符合ISO/IEC 14443标准和符合ISO/IEC 14443 A/B标准的车票，车票和RF模块通信速度为106 kbit/s。天线与RF模块配合使用，实现射频信号的传输。

SAM模块负责与SAM卡进行数据交互，实现密钥对车票安全控制，此模块可支持多个不同的SAM密钥系统。

通信借口模块采用USB接口、RS232或RS422接口通信，并预留RJ45 10M/100M自适应网络接口和标准。

3 地铁AFC读写器应用新趋势

读写器作为地铁票务收益的前沿窗口，如何方便市民更加多元化的针对地铁消费也同步提上了日程。作为地铁行业的标杆，广州地铁根据自身实际业务发展和行业态势，在结合《中国金融集成电路（IC）卡规范》，《广州市城市公共交通电子收费系统》，《移动终端应用集成能力技术规范—NFC分册》等相关协议和技术规范，对NFC有针对性的开展了一些前沿工作。

NFC作为近年来比较热门的无线通讯话题，是在蓝牙、WLAN之后弥补无线通讯1～10米范围内的一项新技术，有飞利浦、索尼和诺基亚等公司主推的近距离无线通信技术。2004年，为了兼容非接触式智能卡，在NFC论坛又推出了NFCIP-2规范，规范制订了一种灵活的网关系统，包含了三种操作模式：NFC卡模拟模式、读写器模式和点对点通信模式。该技术的应用推广对环缓解广州地铁AFC专业高负荷的数据交易，方便市民的多元化支付手段，提高地铁对于客流量的承载都有巨大意义。对此，广州地铁充分调研同行的开发效果，友商产品方案的推荐，希望推动NFC技术在地铁的后续应用。

当前NFC技术主要由手机制造商主导实现的功能，从开发上来说实现门槛较低，也便于遵循NFC规则的一致性，如图3所示。

图3 NFC三种方案图

在手机移动终端中集成NFC控制器芯片，通过此芯片处理NFC协议的相关流程，三套方案之中的最大区别是安全模块的放置不同：（1）分别对应的是独立在芯片位置；（2）集成在SD卡内；（3）集成在SIM卡内。而相对应读写器也需要更换或者增加NFC芯片功能，改造PCB板相关电路，增加配套的NFC近场通讯应用，同时可用于支持非接触近场通讯应用的手持设备。更换相应三套方案，各有利弊，目前从技术层面来说都已经有成熟的应用，主要是在商务方面，对于收益方面清算，由于涉及到银行、移动和轨道交通等多个行业，所以目前还没有办法大规模的推广某一种模式，在广州地铁来说，目前已经有小批量的具有NFC功能移动手机模拟票卡在使用，但目前还没有开通NFC功能，将来的改造很有可能是在此基础上更换SIM卡，改造的成本相对比较低，大致是使用第三套方案，即除了更换手机之外，还要加入带有安全模块的SIM卡，同时，需要地铁对应读写器进行大规模全线网改造以适应终端票卡对应地铁的应用。

4 读写器后续关注重点

读写器作为轨道交通的一项直接影响交易数据的关键设备，需要结合广州市目前的社会位置和自然特点，以及实际应用环境来分析和考量。

首先，广州市是中国的南大门，中国国家中心城市，国际大都市，国家三大综合性门户城市之一，常年处于人口高速流动及高密度状态，地铁设备必须经受的起高压力强度的运作形态。读写器作为乘客与轨道交通联络的窗口设备，要在稳定性和安全性经得起考验，确保乘客和操作人员都拥有良好的用户体验。

其次，广州市地属边南亚热带季风气候，气候特点是气温高、雷暴频繁，高湿度等，这对读写器单元提出更加严格的性能要求和指标参数，必须参照工业级的使用规范来严格对读写器研发、制造、生产和测试全流程环节进行约束，在恶劣或者极端环境下也能够保持良好运作。

再次，应从各站点业务量和现场环境来评估和测试读写器的实用性和可靠性。目前从使用过程中来看，提高读写器的性能还有很大的上升空间，这其中就包含对静电的抗干扰和消除的技术改造需求。抗静电设计作为rfid技术的难点，应该在读写器全流程环节当中予以重视，尤其是在研发过程中，对有可能产生静电的器件和对静电敏感的器件应当设计静电保护电路应用，以确保当高负载时候读写器能够稳定运行。

（1）ESD保护电路在读写器中存在的必要性

在产生静电的器件中，除了人为静电导入，还有RF天线自身可能产生的静电。读写器与票卡交互过程，本来就是通过电磁感应，通过电能量的传导来达到数据交互的，由于是大规模的无线交互，势必增大了天线积累电荷效应。在此基础上，增加天线的ESD保护电路尤为重要，不仅具有静电保护功能，还可以作为受控限压保护电路使用，将狭义的ESD保护电路推广为广义的限压保护电路，同时也降低了电路功耗。

（2）静电敏感器件的设计需要考虑和分析

对于静电敏感器件，尤其是高速通信芯片接口，要在PCB中设计抗静电干扰电路。针对静电积累形成的电磁场，USB接口通信数据的容易在管脚上收到扰动造成的数据错误，通过抗静电干扰设计予以有效降低，譬如在应用层面可以增加对错误传输机制的保护，硬件上可以增加对USB芯片管脚的静电抗扰设计等等。对研发设计阶段都是需要经过严密的仿真设计流程，通过导入不同类型的静电模型来有效分析保障抗静电干扰电路结果的准确性和有效性。

（3）对于静电防护应放在整机设备的系统中去考量

在器件和产品的设计中，应充分体现静电防护的思想，在器件内部设置静电防护元件(ESD)，尽量使用对静电不敏感的器件以及对所使用的静电放电敏感(ESDS)器件提供适当的输入保护，使其更合理地避免ESD的伤害。整机产品设计时，可在ESD器件最易受损的管脚处（例如Vcc和I/O管脚），根据被保护电路的电特性、可用的电路板空间决定加入抑制电路或隔离电路，例如TVS器件、光耦等。

（4）静电防护在生产运输流程当中关注细节

在生产环节，对于组装现场的ESD控制水平，并由此提出器件ESD等级要求，作为选型及ESD防护设计的依据。射频器件ESD特敏感，一般必须专线生产。在保存、运输等过程中，必须采用恰当的措施进行保护，采用防静电袋保存。生产环境的防静电设计也是ESD控制的关键所在。因此应该专门建立一条射频生产线，以保证具有较高的静电防护水平。

5 结语

当前，广州地铁正在迎来新的一轮建设高潮，各项试运行工作都紧锣密鼓的开展调试起来，AFC专业也不例外，作为和票务紧密相关的读写器，也是如火如荼的在即将开通的站点测试联调。广州地铁在长达近二十年的运营过程中，在不断地总结中壮大发展起来，浅谈读写器，也是在提炼和加深对读写器的认识和展望，为推进日后的工作打下坚实的基础。